гидромеханические процессы

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ химической технологии

подразделяют на процессы, протекающие с образованием неоднородных систем (диспергирование, перемешивание, псевдоожижение, пенообразование), с разделением этих систем (классификация гидравлическая, осаждение, фильтрование, центрифугирование и др.), с перемещением потоков в трубопроводах или аппаратах (см. компрессорные машины, насосы).

По условиям движения потоков различают след. задачи гидродинамики: 1) внутреннюю-движение жидкостей и газов в трубопроводах и аппаратах, в т. ч. в змеевиках, рубашках, трубном и межтрубном пространстве теплообменников, ректификационных, экстракционных и абсорбционных колоннах, выпарных и сушильных установках, печах; 2) внешнюю-движение частиц в газообразных и жидких средах, включая осаждение пыли под действием силы тяжести в пылеосадительных камерах или центробежной и инерц. сил в циклонах; разделение суспензий и эмульсий в отстойниках, гидроциклонах, осадительных центрифугах и сепараторах; пневмо- и гидротранспорт; барботирование и перемешивание твердых частиц с жидкостями; диспергирование жидкостей при распыливании в газовых и паровых средах (см. газов очистка, циклоны); 3) смешанную-движение жидкостей и газов через пористые слои кусковых или зернистых материалов (см. фильтрование). В последнем случае в зависимости от высоты слоя материала Я различают процессы: а) при H = = const-движение газа в абсорберах, регенеративных теплообменниках, реакторах с неподвижным слоем катализатора (см. реакторы химические), адсорберах, сушилках и печах; промывка осадков на фильтрах и др.; б) при H const — фильтрование на пром. фильтрах и центрифугах. Осн. законы, которым подчиняется движение жидкостей, газов и их смесей в трубах, каналах и аппаратах: сохранения массы, энергии, количества движения (импульса). Движение жидкости (газа) описывается системой дифференц. уравнений, включающей уравнения движения Навье-Стокса и уравнение неразрывности (сплошности) потока. Интегрирование этого уравнения приводит к уравнению постоянства расхода: V = f₁w₁= ⁼ f₂w₂ ⁼f₃w₃ (f₁, f₂, f₃ — плошдди поперечных сечений трубопровода, м²; w₁, w₂, w₃-средние скорости потока, м/с). Распределение скоростей по сечению канала зависит от режима движения потока. При ламинарном режиме (наблюдается при умеренных скоростях или в трубах малого диаметра) устанавливается параболич. профиль скоростей (w_cp = 0,5w_макс), при турбулентном режиме (наблюдается при больших скоростях и сопровождается хаотич. пульсационными движениями масс жидкости) w_cp = = 0,817w_макс. Сопротивление движению описывается уравнением Дарси — Вейсбаха: , где-потеря давления на преодоление трения при движении потока в круглой цилиндрич. трубе, L-длина трубы, d-ee диаметр, -плотность жидкости, -коэф. сопротивления, определяемый режимом потока и шероховатостью стенок трубы. Для ламинарного режима= 64/Re, где Re = =-число Рейнольдса, -динамич. вязкость; для турбулентного режима, где А и n-постоянные (для гидравлически гладких труб А = 0,316, п = 0,25 в пределах Re от 4∙10³ до 10⁵).

Профили скоростей обусловлены формой сечения потока. Уравнение движения интегрируют для разл. случаев, имеющих практич. применение (движение жидкости в узких каналах, кольцевом зазоре, пленке и др.). Для описания реальных процессов используют обобщенные уравнения гидродинамики, приведенные к безразмерному виду с помощью подобия теории, а также типовые гидродинамич. модели (в зависимости от структуры потоков в аппаратах, в которых осуществляется процесс). Модель полного вытеснения характеризуется поршневым движением потоков при отсутствии продольного перемешивания (напр., в трубчатых аппаратах с >L/d > 20 при больших скоростях). Модель полного перемешивания отличается равномерным распределением частиц потока во всем объеме (напр., в реакторах с интенсивно работающей мешалкой). Промежут. модели (диффузионные, ячеечные) характеризуются частичным перемешиванием в продольном и радиальном направлениях.

Движение твердых частиц в жидкости или газе (внеш. задача) описывается с помощью упрощенных уравнений Навье — Стокса (ползущее течение при Re < 1, течение в пограничном слое при больших числах Re). Закон сопротивления выражается зависимостью , где-коэф. сопротивления. Для шарообразных частиц при Re < 1 величина= = 24/Re; при развитой турбулентности. Скорость своб. осаждения под действием силы тяжести по закону Стокса для одиночной шарообразной частицы w_oc = =(прив области 10⁻⁴ < Re_oc < 2). Для приближенного учета взаимного влияния частиц при стесненном осаждении суспензии в формулу Стокса вводится поправка, зависящая от объемной доли жидкости в суспензии. При расчете отстойников для сгущения суспензии различают режимы свободного и стесненного осаждения. При действии центробежной силы осаждение твердой фазы из жидкости или газа характеризуется центробежным числом Фруда-Fr (т. наз. фактором разделения)-отношением центробежной силы G_ц к силе тяжести G_T: Fr_u = G_ц/G_т =, где r-радиус аппарата, =9,81 м/с². Для разделения суспензий в центробежном поле применяют гидроциклоны и осадительные центрифуги, а для разделения пылегазовых систем-циклоны. Эффективность работы последних характеризуется величиной= (c₁ — c₂)/c₁, где с₁и с₂-концентрации пыли в газе на входе в аппарат и выходе из него.

Для описания процессов, составляющих смешанную задачу гидродинамики, используются упрощенные уравнения Навье — Стокса с соответствующими граничными условиями. Закон сопротивления для неподвижного слоя зернистых материалов аналогичен уравнению Дарси — Вейсбаха при замене d на d_э-эквивалентный диаметр межзерновых каналов.

Г. п. разделения суспензий и аэрозолей (запыленных газов) фильтрованием (пропусканием через пористые перегородки, задерживающие дисперсную фазу) рассматривают отдельно. Теория фильтрования основана на эмпирич. законе Дарси.

Перспективы развития Г. п. определяются совр. достижениями теоретич. и прикладной гидроаэродинамики и широким использованием методов моделирования и вычислит. техники.

^{Лит.: Романков П. Г., Курочкина М. И., Гидромеханические процессы химической технологии, 3 изд., Л., 1982.}

_{П. Г. Романков, М. И. Курочкина}